CN117512492B - 微孔弥散型高温可磨耗封严涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层及其制备方法，涉及涂层技术领域。微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，包括依次层叠设置的金属基底层、YSZ中间层和具有微孔的镁铝尖晶石面层；金属基底层的材料为MCrAlYX，其中，M为Ni和/或Co，X包括Re、Hf、Pt、Ta中的一种或多种；YSZ中间层的材料为YSZ；镁铝尖晶石面层的材料为非化学计量比镁铝尖晶石，化学式为MgO•nAl2O3。本申请提供的可磨耗封严涂层，在1200‑1400℃下具有更优异的抗热震性，与基体具有良好的匹配性，且相比于粗孔型可磨耗涂层，具有更优异的结合强度和可磨耗性，使用寿命可以保障航空发动机服役过程中的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及涂层技术领域，尤其涉及一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层及其制备方法。
背景技术
高温可磨耗封严涂层涂覆于航空发动机中涡轮机机匣内壁，可有效降低油耗，提高发动机效率并保护叶片。新一代航空发动机高压涡轮进口处工作温度超过1700℃，可磨耗封严涂层的服役温度将接近1350℃远超过金属材料熔点，这对封严涂层的高温防护、封严、耐磨损等性能提出了新的要求。
在高于1200℃的使用条件下，常用的金属基封严涂层材料已经不能满足使用要求。由于YSZ热膨胀系数相较其他陶瓷涂层与金属底层的热膨胀系数更为接近，在高温服役过程中产生的热应力较小，因此得到广泛关注。Metco公司在20年代初提出氧化钇稳定氧化锆(YSZ)+聚苯酯的高温封严陶瓷涂层，其中YSZ作为承受高温的主体材料，聚苯酯作为造孔剂可提高YSZ封严涂层孔隙率，改善涂层的可磨耗性。但实际应用时，一方面，由于YSZ相变温度为1150℃，在长期服役状态下，YSZ涂层由亚稳的四方相向单斜相或者立方相转变，会增加涂层内部应力，使涂层发生开裂其至剥落，严重影响其使用性能。另一方面，所形成的涂层为致密的YSZ+聚苯酯形成的宏观大孔，尽管可以部分降低涂层硬度，但是对于涂层的可磨耗性的提升有限。总体来看，传统金属基和YSZ陶瓷基可磨耗封严涂层体系安全性、可靠性较差，无法满足服役要求。
发明内容
本申请的目的在于提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层及其制备方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，包括依次层叠设置的金属基底层、YSZ中间层和具有微孔的镁铝尖晶石面层；
所述金属基底层的材料为MCrAlYX，其中，M为Ni和/或Co，X包括Re、Hf、Pt、Ta中的一种或多种；
所述YSZ中间层的材料为YSZ；
所述镁铝尖晶石面层的材料为非化学计量比镁铝尖晶石，化学式为MgO•nAl2O3，n为1.1-1.5。
优选地，所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层满足以下条件中的一个或多个：
A.所述金属基底层的孔隙率不高于3%，厚度为0.1-0.2mm；
B.所述YSZ中间层的孔隙率不高于5%，厚度为0.2-0.4mm；
C.所述镁铝尖晶石面层的孔隙率为15-30%，厚度为1.2-2.0mm。
优选地，所述微孔的平均孔径不大于50μm。
优选地，所述YSZ包括7YSZ和/或8YSZ。
本申请还提供一种所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的制备方法包括：
在预处理之后的基体表面依次制备所述金属基底层、所述YSZ中间层和所述镁铝尖晶石面层。
优选地，所述预处理包括：
除油和喷砂；所述喷砂所用的石英砂粒度为80-200目。
优选地，所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的原料使用前进行干燥，所述干燥的温度为70-90℃，时间为1-2h。
优选地，采用超音速火焰喷涂或低压等离子喷涂方法制备所述金属基底层；
采用第一大气等离子喷涂方法制备所述YSZ中间层；
采用第二大气等离子喷涂方法制备所述镁铝尖晶石面层。
优选地，所述第一大气等离子喷涂方法的喷涂距离为120-180mm，功率为45-55kw，送粉速率为90-180g/min；
所述第二大气等离子喷涂方法的喷涂距离为100-150mm，功率为35-45kw，送粉速率为150-240g/min，涂层表面温度为160-250℃。
优选地，所述基体为高温合金或单晶。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，包括依次层叠设置的金属基底层、YSZ中间层和具有微孔的镁铝尖晶石面层；面层具有微孔弥散型结构，材料为非化学计量比的镁铝尖晶石（MgO•nAl2O3），相变温度为高达1600℃ ，高温下不会发生相变，相比于现用的YSZ体系封严涂层，高温稳定性优异，可以保障航空发动机服役过程中的安全性。若无底层和中间层，则面层和基体的热膨胀系数相差较大，与基体匹配性较差；金属基底层、YSZ中间层和镁铝尖晶石面层的材料的选择使得其热膨胀系数搭配合适，从而与基体具有良好的热膨胀匹配性，在1400℃~1500℃下表现出了良好的抗热震性、耐冲蚀性能，可满足新一代航空发动机工况温度使用要求。
本申请提供的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，与现有的可在1200℃以上相结构稳定的稀土硅酸盐基热障涂层材料体系相比，抗热震性更优异，有效解决现有稀土硅酸盐基涂层材料即使采用多孔结构、双陶瓷层、梯度结构等也无法解决抗热震性不足的问题，可以提高高温封严涂层的使用寿命。
本申请提供的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的制备方法，工艺简单。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为本申请提供的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的结构示意图；
图2为本申请提供的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了更好的阐释本申请提供的技术方案，在实施例之前，先对技术方案做整体陈述，具体如下：
一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，包括依次层叠设置的金属基底层、YSZ中间层和具有微孔的镁铝尖晶石面层；
所述金属基底层的材料为MCrAlYX，其中，M为Ni和/或Co，X包括Re、Hf、Pt、Ta中的一种或多种；
所述YSZ中间层的材料为YSZ；
所述镁铝尖晶石面层的材料为非化学计量比镁铝尖晶石，化学式为MgO•nAl2O3，n为1.1-1.5（可以为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5或者1.1-1.5之间的任一值）。
金属基底层热膨胀系数例如可以达到14×10-6K-1，中间层为10-12.5×10-6K-1，面层热膨胀系数例如可以达到9×10-6K-1，与金属基体具有良好的热膨胀匹配性，在1400℃~1500℃下表现出了良好的抗热震性、耐冲蚀性能。
需要说明的是，上述非化学计量比镁铝尖晶石的制备方法简述如下：
将氧化镁、氧化铝、粘结剂和水混合，然后依次进行球磨、喷雾造粒、烧结、筛分。氧化镁和氧化铝的质量例如可以比为（24-26）：（74-76），氧化镁和氧化铝的总质量与水、粘结剂的质量比例如可以为100:（200-250）:（7-10），粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的一种或多种；喷雾造粒的入口温度为250-300℃，出口温度低于入口温度100-120℃，功率为28-32kw；物料在喷雾造粒的设备罐体中的停留时间为1-1.5min；烧结的温度为1300-1400℃，时间为6-8h。
在一个可选的实施方式中，所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层满足以下条件中的一个或多个：
A.所述金属基底层的孔隙率不高于3%，厚度为0.1-0.2mm；
B.所述YSZ中间层的孔隙率不高于5%，厚度为0.2-0.4mm；
C.所述镁铝尖晶石面层的孔隙率为15-30%，厚度为1.2-2.0mm。
孔隙率较低，则硬度较高，可磨耗性能差，实际工况时易刮伤叶片，孔隙率较高（例如大于30%）或孔隙较大则结合强度差，热震性能差，长期服役会提前发生脱落掉块，其耐冲蚀性和抗热震性无法满足要求。
需要说明的是，底层到面层孔隙率从上限来看虽然是从小到大的关系，但不是递增关系，底层和中间层相对致密是为了保证涂层与基体的热膨胀系数匹配性和结合强度（即底层和中间层的孔隙率是越低越好的，底层和中间层若孔隙率较高，则会导致涂层界面结合差，涂层易提前从界面处剥落失效），而面层疏松多孔是为了保证涂层的可磨耗性等服役性能。
可选的，所述金属基底层的孔隙率可以为或者0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%或者不高于3%的任一值，厚度可以为0.1mm、0.15mm、0.2mm或者0.1-0.2mm之间的任一值；所述YSZ中间层的孔隙率可以为0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%或者不高于5%的任一值，厚度可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm或者0.2-0.4mm之间的任一值；所述镁铝尖晶石面层的孔隙率可以为15%、20%、25%、30%或者15-30%之间的任一值，厚度可以为1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm或者1.2-2.0mm之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述微孔的平均孔径尺寸不大于50μm。
在一个可选的实施方式中，所述YSZ包括7YSZ和/或8YSZ。
本申请还提供一种所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的制备方法包括：
在预处理之后的基体表面依次制备所述金属基底层、所述YSZ中间层和所述镁铝尖晶石面层。
在一个可选的实施方式中，所述预处理包括：
除油和喷砂；所述喷砂所用的石英砂粒度为80-200目。
在一个可选的实施方式中，所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的原料使用前进行干燥，所述干燥的温度为70-90℃，时间为1-2h。
可选的，所述干燥的温度可以为70℃、80℃、90℃或者70-90℃之间的任一值，时间可以为1h、1.5h、2h或者1-2h之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，采用超音速火焰喷涂或低压等离子喷涂方法制备所述金属基底层；
采用第一大气等离子喷涂方法制备所述YSZ中间层；
采用第二大气等离子喷涂方法制备所述镁铝尖晶石面层。
在一个可选的实施方式中，所述第一大气等离子喷涂方法的喷涂距离为120-180mm，功率为45-55kw，送粉速率为90-180g/min；
所述第二大气等离子喷涂方法的喷涂距离为100-150mm，功率为35-45kw，送粉速率为150-240g/min，涂层表面温度为160-250℃。
可选的，所述第一大气等离子喷涂方法的喷涂距离可以为120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm或者120-180mm之间的任一值，功率可以为45kw、50kw、55kw或者45-55kw之间的任一值，送粉速率可以为90g/min、100g/min、110g/min、120g/min、130g/min、140g/min、150g/min、160g/min、170g/min、180g/min或者90-180g/min之间的任一值；所述第二大气等离子喷涂方法的喷涂距离可以为100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm或者100-150mm之间的任一值，功率可以为35kw、40kw、45kw或者35-45kw之间的任一值，送粉速率可以为150g/min、160g/min、170g/min、180g/min、190g/min、200g/min、210g/min、220g/min、230g/min、240g/min或者150-240g/min之间的任一值，涂层表面温度可以为160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃或者160-250℃之间的任一值。
通过调整工艺参数代替传统的采用造孔剂的方式来增加涂层的孔隙，一方面，微孔弥散型结构面层，相比于采用造孔剂形成的大孔可磨耗面层，在保证涂层可磨耗性的同时，涂层具有较高的结合强度，保证涂层在实际工况刮削时不会出现剥落、掉块等现象，可有效避免刮伤叶片等恶劣问题 ；另一方面，相比于增加造孔剂，工艺更简单，有效提高涂层制备效率。
对于大气等离子喷涂陶瓷粉末，功率越高，送粉速率越慢则其熔化越充分，所制备涂层越致密，涂层硬度越高；喷涂距离越小，则孔隙率越高。涂层温度是镁铝尖晶石力学性能的一个重要影响因素，温度越高，则涂层硬度越高，易刮伤叶片，温度越低，则涂层硬度越低，结合强度也越低，在实际工况中会发生掉块和脱落等现象，无法满足使用要求。
在一个可选的实施方式中，所述基体为高温合金或单晶。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，结构参见图1，其中金属基底层的材料为CoNiCrAlY，YSZ中间层的材料为8YSZ，镁铝尖晶石面层材料为MgO•1.2Al2O3。
如图2所示，其制备方法如下：
（1）预处理：在80℃下烘干喷涂粉末2h，并在Inconel 738基体表面进行除油，并用120目石英砂对基体表面进行喷砂处理；
（2）金属基底层制备：采用低压等离子喷涂制备CoNiCrAlY底层，氩气流量100 L/min，氢气流量9 L/min，真空度40 mbar，喷涂距离300mm，所喷底层厚度为0.12mm；
（3）YSZ中间层的制备：采用大气等离子喷涂制备YSZ中间层，喷涂距离为150mm，功率为50kw，送粉速率为120g/min，厚度为0.38mm；
（4）镁铝尖晶石面层的制备：采用大气等离子或高能等离子喷涂制备镁铝尖晶石面层，喷涂距离为120mm，功率：40kw，送粉速率：200g/min，涂层表面温度为200℃，厚度为1.5mm。
实施例1所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.3%，4.2%，24.3%，面层的孔洞均小于50μm，涂层硬度为619HV0.5，涂层的结合强度为5.8MPa，在1350℃下风冷热震2000次无脱落掉块，涂层在对磨刮削试验后IDR为8%，涂层的结合强度和抗热震性以及可磨耗性均优异。
实施例2
本实施例提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，参照实施例1的方法进行，不同的是面层喷涂时涂层表面温度为250℃。
实施例2所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.5%，4.0%，22.1%，面层的孔洞均小于50μm，涂层硬度为650HV0.5，涂层的结合强度为6.1MPa，在1350℃下风冷热震2000次无脱落掉块，涂层在对磨刮削试验后IDR为11%，涂层的结合强度和抗热震性以及可磨耗性均优异。
实施例3
本实施例提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，参照实施例1的方法进行，不同的是，面层材料为MgO•1.3Al2O3。
实施例3所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.5%，4.2%，23.8%，面层的孔洞均小于50μm，涂层硬度为602HV0.5，涂层的结合强度为4.8MPa，在1350℃下风冷热震2000次无脱落掉块，涂层在对磨刮削试验后IDR为12%，涂层的结合强度和抗热震性以及可磨耗性均优异。
实施例4
本实施例提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，参照实施例1的方法进行，不同的是，底层、中间层和面层的厚度分别为0.18mm、0.35mm、1.40mm。
实施例4所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.8%，4.7%，21.4%，面层的孔洞均小于50μm，涂层的结合强度为4.1MPa，涂层硬度为622HV0.5，在1350℃下风冷热震2000次无脱落掉块，涂层在对磨刮削试验后IDR为9%，涂层的结合强度和抗热震性以及可磨耗性均优异。
实施例5
本实施例提供一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，参照实施例1的方法进行，不同的是，基体材料为单晶，底层材料为CoNiCrAlYTa，中间层材料为7YSZ。
实施例5所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.8%，4.7%，24.4%，面层的孔洞均小于50μm，涂层的结合强度为5.1MPa，涂层硬度为614HV0.5，在1350℃下风冷热震2000次无脱落掉块，涂层在对磨刮削试验后IDR为8%，涂层的结合强度和抗热震性以及可磨耗性均优异。
对比例1
对比例1采用基体＋面层的涂层结构，面层材料为MgO•1.2Al2O3。其制备方法如下：
（1）预处理：在80℃下烘干喷涂粉末2h，并在Inconel 738基体表面进行除油，并用120目石英砂对基体表面进行喷砂处理；
（2）面层制备：采用大气等离子或高能等离子喷涂制备镁铝尖晶石面层，喷涂距离为120mm，功率：40kw，送粉速率：200g/min，涂层表面温度为200℃，厚度为1.5mm。
对比例1所制备的涂层面层的孔隙率为25.1%，面层的孔洞均小于50μm，涂层硬度为623HV0.5，涂层的结合强度为3.8MPa，在1350℃下风冷热震23次脱落掉块，涂层的结合强度和抗热震性较差。
对比例2
参照实施例1的方法进行，不同的是，步骤（3）中间层制备过程中，功率30kw。
对比例2所制备的涂层底层、中间层、面层的孔隙率分别为1.3%，7.8%，23.4%，面层的孔洞均小于50μm，涂层在1350℃下风冷热震50次后从底层和中间层界面处发生脱落，涂层的结合强度和抗热震性较差。
对比例3
参照实施例1的方法进行，不同的是，步骤（4）面层制备过程中，功率为50kw，涂层温度为350℃。
对比例3所制备的涂层面层孔隙率为13.2%，硬度为837HV0.5，在与叶片对磨刮削时刮伤叶片， IDR为41%，涂层的可磨耗性能较差。
对比例4
参照实施例1的方法进行，不同的是，步骤（4）面层制备过程中，喷涂距离为200mm，功率为30kw，涂层温度为150℃。
对比例4所制备的涂层面层孔隙率为31.1%，硬度为332HV0.5，涂层在1350℃下风冷热震87次后从底层和中间层界面处发生脱落，涂层的结合强度和抗热震性较差，不满足使用要求。
对比例5
参照实施例1的方法进行，不同的是，步骤（4）面层制备过程中，送粉速率为120g/min，涂层温度为280℃。
对比例5所制备的涂层面层的孔隙率为13.8%，涂层硬度为746HV0.5，涂层在对磨刮削试验后IDR为57%。涂层可磨耗性较差。
对比例6
参照实施例1的方法进行，不同的是，底层、中间层、面层的厚度分别为0.05mm、0.2mm、1.5mm。
对比例6所制备的涂层与基体的匹配性较差，涂层在1350℃下风冷热震37次后从界面处发生脱落。
对比例7
参照实施例1的方法进行，不同的是，所用的面层粉末为镁铝尖晶石粉末+聚苯酯，比例为1:0.2。
对比例7所制备的涂层面层孔隙率22.1%，面层平均孔隙直径为123μm，涂层结合强度为3.6MPa，涂层在对磨刮削试验后IDR为35%。
对实施例和对比例得到的涂层进行磨耗性能测试，详细试验方法参照企业标准Q/BK908-2014《封严涂层可磨耗性性能试验及评价方法》。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，其特征在于，包括依次层叠设置的金属基底层、YSZ中间层和具有微孔的镁铝尖晶石面层；
所述金属基底层的材料为MCrAlYX，其中，M为Ni和/或Co，X包括Re、Hf、Pt、Ta中的一种或多种；
所述YSZ中间层的材料为YSZ；
所述镁铝尖晶石面层的材料为非化学计量比镁铝尖晶石，化学式为MgO•nAl2O3，n为1.1-1.5；
所述非化学计量比镁铝尖晶石的制备方法包括：
将氧化镁、氧化铝、粘结剂和水混合，然后依次进行球磨、喷雾造粒、烧结、筛分；
所述氧化镁和所述氧化铝的质量为（24-26）：（74-76），所述氧化镁和所述氧化铝的总质量与水、粘结剂的质量为100:（200-250）:（7-10），所述粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的一种或多种；所述喷雾造粒的入口温度为250-300℃，出口温度低于入口温度100-120℃，功率为28-32kw；物料在喷雾造粒的设备罐体中的停留时间为1-1.5min；所述烧结的温度为1300-1400℃，时间为6-8h；
所述金属基底层的孔隙率不高于3%，厚度为0.1-0.2mm；
所述YSZ中间层的孔隙率不高于5%，厚度为0.2-0.4mm；
所述镁铝尖晶石面层的孔隙率为15-30%，厚度为1.2-2.0mm；
所述微孔的平均孔径尺寸不大于50μm；
所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的制备方法包括：
在预处理之后的基体表面依次制备所述金属基底层、所述YSZ中间层和所述镁铝尖晶石面层；
采用超音速火焰喷涂或低压等离子喷涂方法制备所述金属基底层；
采用第一大气等离子喷涂方法制备所述YSZ中间层；
采用第二大气等离子喷涂方法制备所述镁铝尖晶石面层；
所述第一大气等离子喷涂方法的喷涂距离为120-180mm，功率为45-55kw，送粉速率为90-180g/min；
所述第二大气等离子喷涂方法的喷涂距离为100-150mm，功率为35-45kw，送粉速率为150-240g/min，涂层表面温度为160-250℃。
2.根据权利要求1所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，其特征在于，所述YSZ包括7YSZ和/或8YSZ。
3.根据权利要求1所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，其特征在于，所述预处理包括：
除油和喷砂；所述喷砂所用的石英砂粒度为80-200目。
4.根据权利要求1所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，其特征在于，所述微孔弥散型高温可磨耗封严涂层的原料使用前进行干燥，所述干燥的温度为70-90℃，时间为1-2h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微孔弥散型高温可磨耗封严涂层，其特征在于，所述基体为高温合金。
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